Upload
phamnhan
View
226
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Shafts and Shaft Components
2103320 Des Mach Elem Mech. Eng. Department
Chulalongkorn University
Part 1 : Shaft layout
Introduction
เพลา (Shaft) คอืชิน้สว่นหมนุ โดยปกตจิะมหีน้าตดัรปูวงกลม ใชส้ง่กาํลงัหรอืการเคลือ่นที ่
แกน (Axle) คอืชิน้สว่นทีไ่มห่มนุ และไมร่บัแรงบดิ ใชส้าํหรบัรองรบัชิน้สว่นทีห่มนุ
1. วสัดทุาํเพลา
2. ลกัษณะรปูรา่ง และการประกอบกบัชิน้สว่นอื่นๆ
3. Stress and strength
• Static strength
• Fatigue strength
4. Deflection and rigidity
• Bending deflection
• Torsional deflection
• Slope at bearing and shaft-supported elements
• Shear deflection due to transverse loading of short shaft
5. Vibration due to natural frequency
ส่ิงท่ีต้องพิจารณาใน
การออกแบบเพลา
Shaft Materials
การออกแบบในเบือ้งตน้มกัเลอืกใช ้low or medium carbon steel ก่อนเน่ืองจากมรีาคาถกู
สว่นใหญ่จะใชเ้หลก็ผา่นการรดีเยน็ (Cold drawn steel) ทาํเพลาจนถงึขนาดประมาณ 3 น้ิว
ตวัอยา่งเหลก็ในกลุม่น้ี ไดแ้ก่ ANSI/AISI 1020-1050 (JIS S20C-S50C)
หากตอ้งการความแขง็แรงมากขึน้ หรอืตอ้งการลดขนาดเพลา อาจเลอืกใช ้Alloy steels
ตวัอยา่งเหลก็ในกลุม่น้ี ไดแ้ก่ ANSI/AISI 1340-50, 3140-50, 4140, 4340, 5140, 8650
โดยปกตไิมจ่าํเป็นจะตอ้งชบุแขง็เพลา เวน้แต่เพลาถกูออกแบบใหเ้ป็น journal ซึง่สมัผสักบั
bearing ทีร่องรบัเพลา
ตวัอยา่งเหลก็ทีใ่ชช้บุแขง็ ไดแ้ก่ carburizing grades of ANSI/AISI 1020, 4320, 4820, 8620
สามารถเทียบ Material grade ของ Standard ต่างๆ เช่น AISI, JIS, DINได้จากแหล่งข้อมลูต่างๆ
ทางอินเตอรเ์น็ต
Axial Layout of Components
ข้อคิดในการจดัวางส่วนประกอบบนเพลาในแนวแกน
1. เพลาจะตอ้งไดร้บัการรองรบัโดย Bearing (โดยปกตจิะใช ้2 ตวั และอาจมากกวา่ถา้เพลายาว)
2. การประกอบชิน้สว่นอืน่ทีป่ลายเพลา ควรประกอบใหอ้ยูใ่กลแ้บริง่ เพือ่ลด deflection ของ
เพลาในสว่นนัน้
3. สาํหรบัชิน้สว่นทีไ่มไ่ดอ้ยูป่ลายเพลากค็วรประกอบใกลแ้บริง่เชน่กนั เพือ่ลด bending
moment และ deflection
4. หากเป็นไปได ้ไมค่วรออกแบบเพลาใหย้าวมาก เพลายาวจะทาํใหม้ ีbending moment และ
deflection มาก
5. การประกอบชิน้สว่นต่างๆ บนเพลา ตอ้งคาํนึงถงึการเวน้ชอ่งวา่ง เพือ่การหลอ่ลืน่ หรอืเพือ่
การถอดประกอบดว้ย
6. การควบคมุตาํแหน่งสว่นต่างๆ บนเพลา ทาํโดยใช ้บ่าเพลา (shoulder), nut & washer,
sleeves และอาจใช ้retaining ring หรอื set screw กรณทีีภ่าระน้อยๆ
Shoulder & Sleeves
การทาํใหเ้พลามลีกัษณะเป็นขัน้ เสน้ผา่ศนูยก์ลางไม่
เทา่กนั เพือ่ใหส้ะดวกต่อการประกอบ
• ตอ้งการใสแ่บริง่ (เฟือง พลูเลย่)์
• ความเผือ่ใชป้ระมาณ k5 (Transition fit)
• ตอ้งใชก้ารทุบอดัเขา้ไป
ถา้ไมท่าํบา่จะประกอบลาํบาก ไมส่ามารถ
ทุบอดัใหไ้ดต้าํแหน่งทีต่อ้งการพอดไีด ้
การทาํบา่ (Shoulder)
Pulley, gear Spacer Bearing (inner ring)
Shaft Nut
Key Neck
ตอ้งการประกอบแบริง่ กบัพลูเลย่ ์หรอื เฟือง โดย
ไมต่อ้งการลดขนาดเพลา
Sleeves/ Spacer
รอ่งทีใ่ชส้อด
เดอืยของแหวน ลิม่
ประกอบแบริง่ ประกอบเฟือง
หรอืพลูเลย่ ์
Nut-Washer & Setscrew
Gear
Key
Washer
Nut
Setscrew
Retaining ring
ใชก้บัรเูพลา
ใชก้บัเพลา
Internal ring
External ring
Retaining ring ใชก้าํหนดตาํแหน่งในแนวแกน ไมส่ามารถรบัภาระในแนวแกนทีม่ากๆ ได ้
Supporting Axial Loads
1. หากมภีาระในแนวแกน เชน่ จาก Helical gear
หรอื Bevel gear แรงจะถกูถ่ายไปสูเ่พลา
bearing และ housing ตามลาํดบั
2. ภาระในแนวแกนเพลาสามารถรบัไดโ้ดยการ
ออกแบบใหม้บี่าเพลา หรอืมโีครงสรา้งอืน่ที่
ชว่ยรบัภาระ
3. Retaining ring ใชใ้นกรณีทีภ่าระมคีา่น้อย
เทา่นัน้
แรงถกูออกแบบให้ผา่นแบ
ร่ิง และถ่ายไปท่ีบา่เพลา
และโครงสรา้ง
การออกแบบให้มี
โครงสรา้งภายนอกรบั
แรงในแนวแกน
Providing for Torque Transmission
1. วธิทีีจ่ะสง่แรงบดิระหวา่งอุปกรณ์ทีต่ดิบนเพลากบัเพลา
สามารถทาํไดโ้ดยวธิตี่างๆ เชน่ ใช ้key, splines,
setsrews, pin, press or shrink fits
2. Setscrews หรอืการ press or shrink fits ใชใ้นกรณี
แรงบดิน้อยๆ เทา่นัน้
3. ชิน้สว่นสง่แรงบดิให ้key, pin มกัถกูออกแบบให้
เสยีหายก่อน เมือ่แรงบดิมคีา่มากกวา่ทีอ่อกแบบไว ้ทาํ
ใหช้ิน้สว่นอืน่ๆ ไมเ่กดิความเสยีหาย
Assembly and Disassembly
1. การทาํบ่าเพลาทาํใหก้ารประกอบสะดวกขึน้ ทาํ
ใหร้ปูรา่งเพลาจะมเีสน้ผา่นศนูยก์ลางมากสดุที่
ตรงกลาง และเรยีวลงไปทางปลายทัง้สองดา้น
2. การประกอบทาํโดยใสช่ิน้สว่นต่างๆ เขา้จาก
ปลายเพลาทัง้สองดา้น
3. การทาํ fillet นอกจากเพือ่ลด stress
concentration แลว้ยงัตอ้งคาํนึงถงึการประกอบ
ชิน้สว่นต่างๆ ใหแ้นบสนิทกบับ่าเพลาดว้ย
4. อาจใชก้ารเซาะรอ่งตรงบ่าเพลาเพือ่ใหก้าร
ประกอบกบัชิน้สว่นอืน่ๆ ประกอบไดส้นิท Rhub > Rfillet จะประกอบกนัได้สนิท
Rhub < Rfillet จะประกอบกนัไม่พอดี
Reducing stress concentration
1. Large radius under cut
2. Large radius relief groove into the back of the shoulder
3. Large radius relief groove into the small diameter
รปูรา่งบริเวณบา่เพลาอาจถกูดดัแปลงเพ่ือลด Stress concentration ดงัน้ี
สร้าง dead zone เพ่ือไม่ให้มี
stress concentration
วิธีน้ีอาจทาํให้เพลาอ่อนแอลงเน่ืองจาก
ขนาดเส้นผา่ศนูยก์ลางลดลง แต่กนิ็ยมทาํ
เพราะสะดวกในการประกอบ